miminis软件中三维实体重建技术的研究

miminis软件中三维实体重建技术的研究

通过多排螺旋ct获得的断层图像得到了三维重复，已成为国际医学成像和医学形态研究的热点之一。首先,由于多排螺旋CT提供断层图像的分辨率的提高,扫描间距的缩小,这为三维重建提供数据基础;此外,由于断层图像仅仅是人体内部信息的一种不完全描述,不易得到各脏器之间的空间相对位置关系,而三维图像能提供比二维图像更加丰富的机体内部信息,为医生的临床实践提供可视化、数字化信息。这些因素促使三维重建技术在医学诊断及研究领域的应用日益增多。本文以多排螺旋CT常规扫描并经后处理工作站运算获得的薄层重建图像为基础,进行MimicsV10.0软件的三维实体重建功能研究。1材料表面1.1两组大鼠膝关节ct扫描对一个无骨肿瘤和头部外伤的正常头颅,一个既往无膝关节疾患和系统性疾病的正常左膝关节,以及一个有严重骨质增生出现关节间隙两侧骨端的骨质相接触的左膝关节,均应用GELightspeed16排螺旋CT以层厚5或10mm,间隔5或10mm进行扫描,获得512×512矩阵的CT图像(Dicom格式),随后在GE后处理工作站进一步获得薄层后重建图像。1.2案例1:ph形工作站硬件:GELightspeed16PlusspiralCT,Dell图形工作站(双XeonTM2.3g,CPU内存2.0G,WindowsXP系统)。软件:GE后处理工作站(GEAdvancedWorkstation/GEAW),MimicsV10.0软件。2蒙罩的重建l2.1在Mimics软件中,以左膝关节和头颅的薄层后重建数据为基础进行三维实体重建时,首先运用阈值选取技术(Thresholding),根据所需重建组织的不同密度范围,在操作者选定所要重建组织结构后,该软件自动得出该种组织的阈值范围,接受这一阈值范围后,便获得该种组织的原始蒙罩。当然由于所选取的个体差异,同种组织的阈值范围会有所不同。2.2其次,运用三维区域增长技术(3DRegionGrowing),选取欲重建的单个或多个实体结构区域,进而得到新的蒙罩。2.3随后,在三维实体(3DObject)菜单栏导入新生成的蒙罩并加以运算,便获得所选取的实体结构区域的三维重建模型。在进行模型重建的过程中可供选择的参数设置与STL模块中可供选择的参数设置一致。其中在TheCalculate3D界面为了修补图像,选取更适用于医学图像处理的轮廓内插法,通过减少矩阵、表面光滑、边减少、三角形的减少等方式以提高生成三维实体模型的质量。3不同扫描图像的几何模型三维实体重建方法得到的左膝关节和头颅的三维实体模型的图像轮廓清晰,能旋转、方便测量。三维实体模型可从任意角度及平面剖割,得到操作者所需要的切面图像(见图1c)。此外,左膝关节借关节间隙分离的孤立实体结构区域可被赋予不同的色彩(见图2a)。3.1以原始扫描图像的薄层后重建数据为基础,同时在GEAW中进行容积重建和在Mimics软件中进行三维实体重建,从上面观发现Mimics软件中的三维实体模型的梯状伪影较GEAW中的容积重建(VR)模型少得多(见图1a/b)。3.2在Mimics软件中,对左膝关节有重度骨质增生出现关节间隙两侧骨端的骨质相接触的情况时,则显示左股骨下端及胫骨上端连接在一起的三维实体模型(见图2b/c)。在Mimics软件自动设定阈值范围的情况下,由于胫骨结节外上方骨质疏松区的存在,在此模型中呈现骨质缺损区。只有操作者自行调整阈值范围,并且采用空洞填充技术,才能得到逼真的左膝关节三维实体模型。4骨性结构的三维重建在进行三维实体重建的过程中可供选择的参数设置与STL模块中可供选择的参数设置一致。这说明3DObject菜单栏中的重建模型也是以面网格化形式为基础得来,其中最主要是运用了轮廓内插法(contourinterpolation)。在螺旋扫描的方式下,梯状伪影不可能消除,以扫描头部时最为严重。这使得对头部行螺旋扫描,并获得薄层后重建图像的情况下,Mimics软件与GEAW同时以该后重建图像为基础进行三维重建,重建结果体现出采用了轮廓内插法的Mimics软件对梯状伪影的优化处理能力较强(见图1a/b)。三维区域增长技术的原理是基于空间连接性演算(algorithmforspatialconnectivity),以正常膝关节的股骨下端为例,首先确定一个膝关节骨质的CT阈值范围后,在某一横断面上选择单侧股骨下端的一个种子点(seedpoint),然后通过自动编码和演算、寻找邻近的与之相连接的演算点(candidate)、该点的CT值必须在选定的阈值范围内,依此类推,候选点不断扩大最终将整个阈值范围内的单侧股骨下端骨性结构选取出来,即获得了单侧股骨下端的新蒙罩(见图2a)。而对于单侧膝关节有重度骨质增生或化脓性关节炎等出现关节间隙两侧骨端的骨质相接触的情况时,同样是选择单侧股骨下端的一个种子点,便得到单侧股骨下端及胫骨上端骨性结构同时选取出来的新蒙罩(见图2c)。由此,我们便不难理解对于颅骨结构,无需采用三维区域增长技术,可以在三维实体(3DObject)菜单栏中直接导入颅骨的原始蒙罩并加以运算,便获得了头颅的三维重建模型。这是由于头颅的多个脑颅骨及面颅骨借骨逢彼此紧密联系,相互接触的结果。Mimics软件的三维实体重建方法是在三维区域增长技术的基础上将所选取的阈值范围内的相邻像素连接而重组成图像。三维实体重建技术等同于CT后处理的表面遮盖重建技术(SSD)。表而遮盖重建需要设置一个阈值范围,所有在此阈值范围内的CT数据被保留下来进行重建,其余的数据全部舍弃(Cline等1991;Magusson等1991),从而有效地降低了计算量即比特值(12降到1),但作为代价,损失了容积数据内99.97%的信息量。保留的数据通过各结构边界的多边形小碎片产生等界面(isosurface),应用一个或多个假设光源并计算其反射值,通过表面遮蔽提供深度效果。SSD显示结构重叠区域的三维解剖关系极佳,尤其是颅面部、脊柱、骨盆等部位。但是这种以CT阈值为参数的图像处理,丧失了大量与X线衰减有关的信息,即在该阈值范围内的各种组织结构没有灰度差别。此外,对设定阈值以外的像素不能显示。笔者以骨性结构为例对Mimics软件的三维实体重建功能进行探讨。此外,该软件还可以分别重建骨松质、骨密质、牙釉质,以及软组织、皮肤、脂肪、肌肉等结构的表面遮盖模型。可见,在具有CT原始扫描数据后,骨